某型发动机加力筒体隔热屏裂纹故障分析及改进措施

摘 要：某型发动机批生产中多次出现隔热屏裂纹故障，其故障率较高，严重影响了发动机正常生产与交付。通过对该型发动机与其它型号发动机在加力筒体隔热屏的结构、热膨胀伸长量等方面进行对比分析，发现该型发动机现有结构隔热屏热变形应力无法释放，并且确认该问题是导致隔热屏裂纹故障发生的主要原因之一。通过理论分析与实际验证，制定了两项改进措施，并在生产中应用，取得了良好效果。 　　关键词：隔热屏；裂纹；改进 　　1 概述 　　根据统计，某型发动机批生产以来，试车后多次出现隔热屏裂纹故障。这一问题严重影响了发动机正常生产与交付。以某年为例，其台份故障率、台次故障率分别高达36%、20.7%。裂纹均为周向裂纹，并且都发生在第4波与第5波处，大多位于顺航向10点～1点钟位置。 　　图1 隔热屏出现裂纹周向位置分布 　　2 故障原因分析 　　2.1 隔热屏固定结构对比分析 　　某型发动机加力筒体隔热屏为整体隔热屏，在加力筒体进口及出口用圆孔安装螺栓连接，整体隔热屏装配后沿轴向没有活动量。 　　而某成熟发动机加力筒体隔热屏分别为6段，固定方式每段用1排圆孔安装螺栓连接，其余用椭圆孔安装螺栓连接，整体隔热屏装配后可以沿轴向活动。 　　两型发动机隔热屏固定结构的具体情况见表1、图2和图3。 　　表1 两型发动机隔热屏结构比较 　　从表1可以看出，为解决工作中隔热屏的热膨胀问题，其它型号发动机加力筒体隔热屏上设有长椭圆孔，使隔热屏装配后可以沿轴向活动。而某型发动机隔热屏两端固定时用圆孔无间隙装配，使隔热屏装配后无法沿轴向活动。 　　图2 某型发动机加力筒体隔热屏固定结构 　　图3 某成熟发动机加力筒体隔热屏固定结构 　　2.2 热膨胀伸长量对比计算 　　将某型发动机及其它型号发动机工作中隔热屏受热后伸长量进行了对比计算，计算结果具体见表2、图4和图5。 　　表2 两型发动机单段隔热屏受热后的伸长量 　　注：计算Δt时，起始温度按20℃，终温按隔热屏最高温度。 　　图4 某型发动机隔热屏固定圆孔及隔热屏长度尺寸示意图 　　图5 某成熟发动机隔热屏固定椭圆孔及隔热屏长度尺寸示意图 　　考虑加力筒体壳体伸长量的情况下，某型发动机隔热屏伸长3.41mm时不会被两端的固定销钉压紧。而经计算工作状态下隔热屏受热伸长最大量为8.28mm，较结构设计预留的3.41mm大很多，此时热膨胀量无法有效释放，隔热屏会受到两端固定销钉压紧而产生结构变形。其它型号发动机在结构设计预留的活动间隙能够保证隔热屏在工作产生的热膨胀得到有效释放。 　　综上所述，造成某型发动机加力筒体隔热屏裂纹故障的主要影响因素为：现有结构隔热屏热变形应力无法释放。 　　3 改进措施 　　3.1 加力燃油总管外侧喷孔内移情况 　　采取加力燃油总管外侧喷孔内移5mm的排故措施，目的是降低隔热屏近壁面的燃油浓度，改善隔热屏热负荷情况，提高冷却裕度，该措施对加力燃烧室的性能影响很小。后续经过试验验证，表明措施有效，加力隔热屏的结构可靠性有所提高。 　　3.2 试车控制加力状态总供油量影响分析 　　采取控制加力状态总供油量与Ro（外区实际与理论燃油流量比）比值方式，减少外涵区供油量。即将主机的中间性能调整至设计要求的上限，加力状态的性能调整至设计要求的下限，在保证发动机性能合格的情况，减少加力过程外涵供油量。统计分析了合格与故障发动机试车数据，从试车数据上分析，故障与合格发动机试车数据无明显规律。 　　经设计分析和计算，采取改进措施如下： 　　（1）加力燃油总管外侧喷孔内移5mm。 　　（2）加力筒体隔热屏前排固定支架连接孔改为长圆孔。 　　3.3 验证情况 　　针对加力燃油总管外侧喷孔内移5mm与加力筒体隔热屏前排固定支架连接孔改为长圆孔两项改进措施，进行了试车验证，贯彻以上两项措施的20台发动机，在试车后，仅有1台在试车后出现隔热屏裂纹故障，其他19台发动机未出现故障。台份故障率、台次故障率等故障指标大幅下降。 　　4 结束语 　　针对某型发动机出现的加力筒体隔热屏烧蚀故障，进行系统分析、测量统计及试验验证等大量研究工作，得出以下结论：该型发动机现有结构隔热屏热变形应力无法释放是导致故障的主要影响因素。控制加力状态总供油量和故障与否无明显规律。将加力燃油总管外侧喷孔内移对故障的解决措施有效。最终制定了加力燃油总管外侧喷孔内移5mm和加力筒体隔热屏前排固定支架连接孔改为长圆孔两项改进措施。保证了发动机工作安全可靠。 　　参考文献 　　[1]杨世锋，陶文铨.传热学[M].高等教育出版社. 　　[2]机械工程师手册[M].机械工业出版社.